Optical control at the nanoscale and applications in quantum technology

Abstract

The optical control of complex photonic structures and quantum systems is a relatively new area of research that combines quantum optics, nanophotonics, and quantum technology. Also, the field of plasmonic nanostructures has attracted a great deal of attention over the past few decades due to its ability to strongly confine light to its surface. It enables us to achieve strong light-matter interactions between the quantum emitter and the local electromagnetic field when the quantum emitter is placed at an appropriate distance from the surface of the plasmonic nanostructure. In this PhD thesis we study optically controlled population transfer techniques in a semiconducting quantum dot located near a plasmonic nanostructure using the stimulated Raman adiabatic passage (STIRAP) methodology but also some efficient shortcuts to adiabaticity. In addition, we examine optical and non-linear optical properties of a hybrid system consisting of a polar molecule and a plasmonic nanostructure that interact with one or two laser fields. We investigate the absorption and the dispersion spectrum, the second-order nonlinear optical effect of nonlinear optical rectification (NOR) and the four-wave mixing (FWM) effect by varying some crucial parameters of the hybrid-system. Finally, we examine the optically controlled high efficiency energy transfer between a donor molecule and an acceptor molecule when the molecules are located in proximity to a MoS$_2$ nanodisk with non-zero donor dissipation and acceptor charge separation rate. It is anticipated that the results of the thesis will have a significant impact on the development of new photonic devices as well as on future quantum technologies.

Ένας σχετικά νέος τομέας ενεργού έρευνας που συνδυάζει την κβαντική οπτική, τη νανοφωτονική και την κβαντική τεχνολογία ασχολείται με τον οπτικό έλεγχο ιδιοτήτων σύνθετων φωτονικών δομών και κβαντικών συστημάτων. Επίσης, το πεδίο της πλασμονικής νανοδομής έχει προσελκύσει μεγάλο ενδιαφέρον τις τελευταίες δεκαετίες λόγω της ικανότητάς του να περιορίζει έντονα το φως στην επιφάνειά του. Έτσι, μας επιτρέπει να επιτύχουμε ισχυρές αλληλεπιδράσεις φωτός-ύλης μεταξύ του κβαντικού εκπομπού και του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου όταν ο κβαντικός εκπομπός τοποθετείται σε κατάλληλη απόσταση από την επιφάνεια της πλασμονικής νανοδομής. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετάμε την οπτικά ελεγχόμενη μεταφορά πληθυσμού σε μια ημιαγώγιμη κβαντική τελεία η οποία βρίσκεται κοντά σε πλασμονική νανοδομή με την μεθοδολογία εξαναγκασμένης αδιαβατικής μεταφοράς Raman (Stimulated Raman Adiabatic Passage-STIRAP), αλλά και μεθόδους συντόμευσης στην αδιαβατικότητα. Επιπλέον, μελετάμε τις μη-γραμμικές οπτικές ιδιότητες για ένα υβριδικό σύστημα που αποτελείται από συγκεκριμένα πολικά μόρια και μια πλασμονική νανοδομή, τα οποία αλληλεπιδρούν με ένα ή δύο πεδία laser. Διερευνούμε το φάσμα απορρόφησης και διασποράς, το μη γραμμικό οπτικό φαινόμενο δεύτερης τάξης της μη γραμμικής οπτικής ανόρθωσης (Nonlinear Optical Rectification-NOR) και το φαινόμενο ανάμειξης τεσσάρων κυμάτων (Four-Wave Mixing-FWM) μεταβάλλοντας ορισμένες παραμέτρους του υβριδικού συστήματος. Τέλος, εξετάζουμε την οπτικά ελεγχόμενη μεταφορά ενέργειας υψηλής απόδοσης μεταξύ ενός μορίου δότη και ενός μορίου δέκτη όταν τα μόρια βρίσκονται κοντά σε νανοδίσκο MoS2 με μη μηδενική διάχυση δότη και ρυθμό διαχωρισμού φορτίου δέκτη. Τα αποτελέσματα της διατριβής θα είναι ιδιαίτερα χρήσιμα για τη δημιουργία νέων φωτονικών συσκευών αλλά και για μελλοντικές κβαντικές τεχνολογίες.